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混合动力汽车快速控制原型系统仿真平台开发
2015年12月6日    评论:    分享:
    来源:第三维度
    作者:高建平,葛 坚,赵金宝,乔宏冰,郗建国
    单位:河南科技大学车辆与交通工程学院

    摘要:为加快混合动力汽车控制策略的开发进度,缩短产品开发周期,设计与开发了基于飞思卡尔 MC9S12DG256 控制器、驾驶员模拟器、控制器自动代码生成编译工具包及Freemaster 实时数据监测软件构成的混合动力汽车控制策略快速控制原型系统半实物仿真平台,将底层驱动与上层控制策略模型一键下载到 MC9S12DG256 控制器,实现模型到代码的自动下载,并能与 AVL CRUISE 中车辆信息进行实时的串口通信。针对一款并联式混合动力客车进行仿真实验,结果能较好地模拟实车特性,验证了该仿真平台的有效性,其开发成本低廉,易在高校中推广。

    随着混合动力汽车(hybrid electrical vehicle,HEV)控制策略开发的深入推进,纯仿真不能体现控制策略的实时状态,而实车实验处于车辆 V 模式开发的后期[1-3]。半实物仿真平台将 HEV 部分硬件放在仿真环境中进行考察,实验结果比纯仿真更接近实际,从而提高控制策略的可靠性,缩短开发周期,因此半实物仿真平台已成为 HEV 研发过程中必不可少的工具[4]。

    邢杰等[5]开发的基于 dSPACE 实时系统的半实物仿真平台具有高速解算能力,能很好地完成控制策略的修改及代码的全自动下载,但其驾驶员模型采用 PID 控制,并未采用真实驾驶员操作,减弱了驾驶员对仿真结果的影响。王熠等[6]开发的基于Matlab/xpc 平台的半实物仿真平台,成本低、系统构建方便,但不能实现在线调整控制参数,并受限于控制模块的复杂度和硬件资源。石琦文和孙晓民[7]利用 Matlab 开发的基于 MPC555 的半实物仿真平台,需要引入实时系统,才能实现整车数据的实时反馈,增加了开发成本。

    为解决以上问题 , 本文基于飞思卡尔MC9S12DG256 控制器、自行开发的控制器自动代码生成编译工具包及 Freemaster 实时数据监测软件搭建了 HEV 控制策略快速控制原型系统半实物仿真平台。利用模块化的底层驱动包与 HEV 控制策略相连接,实现底层驱动和上层策略的代码自动生成,并直接下载到控制器,实现控制策略的一键下载。通过搭建的人机在环车辆仿真平台,实现控制策略与车辆模型的半实物实时仿真实验,借助于在线调整控制参数界面实现控制策略的调整与优化。

    1 总体设计思想

    控制器快速原型的基本原理是用快速原型控制器硬件替代产品控制器硬件,通过自动代码生成技术将建模与仿真阶段所形成的控制算法模型下载到快速原型控制器硬件中,并连接实际被控对象,进行控制算法的实物验证。快速控制原型系统应具有快速性、有效性等特点。硬件方面应选择汽车电子开发过程中常用的设备及控制器作为实验载体,研发人员无需额外添置昂贵的硬件设备,便可获得稳定的实验硬件。软件系统方面应具备一键代码生成、实时性,可靠性以及易于维护性等功能,考虑到该平台主要用于科研,因此还应具备较高的性价比。

    针对以上要求,HEV半实物仿真平台系统的总体构架如图1所示,主要包括驾驶员,电子油门踏板,电子制动踏板,MC9S12DG256控制器以及相关设计软件。


图 1 半实物仿真平台系统结构

    2 硬件系统需求

    引入人机在环系统,实现系统的实时反馈。选择一种车辆驾驶模拟器,该驾驶模拟器具有油门踏板和制动踏板,实现真实驾驶员的操作。针对 HEV开发的特点,路况作为控制策略实验的工况,只有前进和停止两种状况,因此驾驶员只需操作电子油门踏板和电子制动踏板,即能把操作命令传递到控制器。

    根据制定的控制策略试验工况及车辆动力结构可知,整车控制策略需要接收由驾驶员模拟器输出的两路模拟信号,分别是油门踏板信号和制动踏板信号,因此需要加入模数转换模块对模拟信号进行转换,即控制器至少需两路的模数转化模块;车辆信息与控制策略是通过串口通信实施数据交互的,因此控制器需要一路串口通信模块。针对该平台 对 硬 件 的 要 求 , 采 用 市 面 上 主 流 的MC9S12DG256 最小系统开发板,能满足各种工控设备的硬件需求,其成本较为低廉,防干扰能力强,并且 Matlab 能够生成 S 12 系列控制器的专用代码,较好满足该平台对硬件的选型需求,为此,选择该控制器作为平台控制器。

    3 软件设计要求

    系统软件平台主要包括在线调整控制参数界面、自动代码生成编译工具包和实时车辆平台三部分。

    (1) 基于 Freemaster 的数据实时观测与调整平台。Freemaster 是飞思卡尔公司一款优秀的免费实时数据监测软件,该软件不仅能实时监测数据,还可以在线调整需要修改的数据。Freemaster 实时数据监控时,不会给数据的存储和显示带来问题,本平台为实现参数的调整优化,在其固有的通信程序中加入要修改和调整的参数,Freemaster 就零干扰进行数据的显示。本实验台通过(background debugging mode, BDM)实现 Freemaster 与控制器的实时数据通信,完成数据的在线检测与修改。如图 2 所示为 Freemaster 在线调整控制参数界面。


图 2 Freemaster 在线调整控制参数界面

    (2) 自动代码生成编译工具包的建立。优秀的快速控制原型平台,只需一键即可实现由Simulink模型到代码的下载。为实现该目的,开发了基于Matlab/Simulink的MC9S12DG256控制器的硬件接口自动代码生成编译工具包。该工具包主要包括SCI串行通信接口、ADC数模转换模块等,如图3(a)所示。自动代码生成编译工具包的建立使整个平台集被控对象建模、控制器底层驱动、系统仿真、实时控制为一体,能极大地提高控制策略的开发效率。


(a) 硬件接口自动代码生成编译工具包    (b) 软件在环联合仿真



(c) 控制策略与底层驱动集成界面


(d) 整车数据采集与通信

图 3 软件在环联合仿真与 RCP 联合仿真示意图

    在 Matlab/Simulink 中调用工具包中的硬件接口模块,与控制策略中需要引入外部数据的参数进行接口设置。为实现对油门信号和制动器信号的采集,将 ADC 数模转换模块与控制策略的油门与制动信号连接,并将输入信号归一化处理,实现油门信号与制动器信号的解析;为实现代码的一键式下载后能够完成串行通信,把串口底层驱动 SCI 模块与控制策略接收参数相连,为实现信号数据类型的正确输入,需要按照控制策略不同模块的需求进行不同数据类型的设置与添加。具体接口设置如图3(c)所示。

    图 3(b)为软件在环联合仿真,通过仿真计算能得到离线仿真结果数据,图 3(c)~(d)为 RCP 联合仿真示意图,其中图 3(c)为控制策略与底层驱动集成界面,控制器连接 Freemaster 的 BDM 背景调试器,将控制模型自动生成设定类型的控制代码,并转到Codewarrior IDE 中,经过编译自动下载到控制器。

    在 Matlab/Simulink 中,针对所选控制器的硬件驱动模块的特点,可利用 S 函数和 TLC 编译器,编写特定的硬件驱动模块库。并根据 RTW 代码生成文件的控制条件进行相关文件的编写设置,设置控制器的基本工程文件,以实现代码的加载。该驱动包的建立不仅实现了代码的一键式下载,而且可以在任何电脑上使用此工具包,无需重新编写。本平台自动代码生成编译工具包实时生成代码原理如图 4所示。


图 4 自动代码生成原理图

    (3) 基于AVL CRUISE 实时运行的车辆模型平台。传统的快速控制原型开发平台,在控制策略未得到验证前,就加入真实的被控对象或者具有实时操作系统的仿真平台,进行实物实验,造成一定的危险性,而实时操作系统价格又比较昂贵[8]。为实现安全、低成本的开发HEV仿真平台,本平台采用AVL CRUISE软件作为实时通信软件车辆模型建立的载体。

    AVL CRUISE 是一款正向车辆性能仿真软件,具有精度高,图像化建模等优点,而且其具有的INTERFACE 接口更具有实时传递信号的功能。本平台采用 Matlab/instrument control toolbox 的串口模块与 AVL CRUISE 的 INTERFACE 实时接口模块,实现控制器与车辆模型之间信号的实时传递。

    如图 3(d)所示,INTERFACE 接口接收控制策略经串行通信输出的发动机加载信号、电机加载信号、离合器开闭信号及发动机开关信号,经 AVL CRUISE 仿真计算,将车速、电机转速和电池 SOC等参数通过串行接口发送给控制策略,实现控制策略与车辆模型数据的实时交换。

    4 HEV 半实物仿真平台的应用

    以一款并联式混合动力客车(hybrid electric bus, HEB)为例进行在本平台的应用。该并联式HEB AVL CRUISE 模型如图 5 所示,HEB 为双离合单轴并联结构,包括发动机、电机、电池等。驱动电机既是电驱动装置,又是起动、发电一体化系统(integrated starter generator, ISG),电池与电机相连接,通过能量管理系统实现电量的回收与利用。


图5 整车模型 

    车辆动力系统参数如表 1 所示,基于功率解析[9]控制策略如图 6 所示,半实物仿真平台整体结构实物图如图 7 所示。


表1 单轴并联混合动力公交车整车参数


图 6 控制策略模型


图 7 半实物仿真平台整体结构实物图 

    在确保底层驱动接口、数据类型及电子油门与制动器归一化信号解析正确后,即可实现一键程序的下载,自动生成的程序如图 8 所示。


图 8 一键下载生成的程序

    仿真结果如图 9 所示,从图 9(a)可以得出在仿真时间内驾驶员很好地完成路况跟踪需求。从图9(b)~(d)可以得出,该工况段内,与离线仿真相比,发动机转矩和电机转矩得到了很好地分配,且发动机、电机转矩的波动进一步降低,有利于降低发动机的启闭拖动对整车造成的震动及油耗的降低。电机的转矩变化趋势也更加平缓,进一步增加了电机的能量利用效率。总体来说,该半实物仿真平台能较好地模拟 HEV 行驶状态,为不同控制策略下整车动力性、经济性仿真提供了良好地仿真平台。



图 9 半实物仿真与离线仿真结果对比图

    表 2 为驾驶员在环车辆性能测试与离线仿真得到的整车经济性与动力性的对比情况。由此表可知,经 RCP 测试后,车辆动力性能并未出现下降,百公里综合油耗与电耗也未出现较大下降,可见经调整控制参数验证优化后的控制策略,满足设计需求。



表 2 整车仿真结果对比

    5 结 束 语

    开发了基于 MC9S12DG256控制器的快速控制原 型 系 统 半 实 物 仿 真 平 台 , 硬 件 系 统 包 括MC9S12DG256 控制器,驾驶员模拟器,软件系统主要包括自行开发的控制器自动代码生成编译工具包及 Freemaster 实时数据监测软件,实现底层驱动和上层策略的代码自动生成,并直接下载到控制器,实现控制策略代码的一键下载。通过一款并联式 HEB 控制策略的实时控制实验,能比较准确地模拟实车特性,验证了系统的可靠性与实时性。

    参 考 文 献

    [1] 李建秋, 田光宇, 卢青春, 陈全世, 欧阳明高. 利用 V型开发模式研制燃料电池混合动力客车的整车控制器[J]. 机械工程学报, 2005, 41(12): 30-36.

    [2] Sampathnarayanana B, Onori S, Yurkovich S. An optimal regulation strategy with disturbance rejection for energy management of hybrid electric vehicles [J]. Automatica,2014, 50(1): 128-140.

    [3] Kang J, Choi W, Kim H. Development of a control strategy based on the transmission efficiency with mechanical loss for a dual mode power split-type hybrid electric vehicle [J]. International Journal of Automotive Technology, 2012, 13(5): 825-833.

    [4] 丁荣军. 快速控制原型技术的发展现状[J]. 机车电传动, 2009, (4): 1-3.

    [5] 邢 杰, 何洪文, 孙逢春. 混合动力汽车控制策略硬件在环仿真开发平台[J]. 北京理工大学学报, 2010, 30(8):887-890.

    [6] 王 熠, 何洪文, 张颖琦, 林 逸. 基于CAN网络的混合动力汽车硬件在环仿真平台[J]. 北京理工大学学报,2011, 31(5): 525-527.

    [7] 石琦文, 孙晓民. 基于 MATLAB 的车用快速控制原软件平台的研究与实现[J]. 计算机工程与应用, 2004,13(1): 108-112.

    [8] Gans N R, Dixon W E, Lind R, Kurdila A. A hardware in the loop simulation platform for vision-based control of unmanned air vehicles [J]. Mechatronics, 2009, 19(7):1043-1056.

    [9] 浦金欢. 混合动力汽车能量优化管理与控制策略研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2004. 

标签:汽车模拟器
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